浏览器安全

WEB 世界出现的最初目的就是开放与共享，任何资源都可以接入其中，我们的网站可以加载并执行别人网站的脚本文件、图片、音频、视频等资源，甚至可以下载其他站点的可执行文件。但是如果这种自由没有任何限制反而会引起彻底的混乱和无序，我们的数据与隐私将被肆意窃取。随着 WEB2.0 的时代来临，互联网从C/S架构（客服端/服务端结构）转变为 B/S 架构(浏览器/服务器结构），后者相比于前者更加方便快捷，因此浏览器便成为了我们访问网站的窗口，浏览器安全也随之变得越来越重要。

浏览器安全主要可以分为Web页面安全、浏览器网络安全和浏览器系统安全，接下来我们按照这三个方面分别进行介绍：

页面安全

一、同源策略

同源策略（Same-origin policy）是浏览器页面最基础、最核心的安全策略，主要用于限制不同源站点之间的交互。那么首先什么是同源呢？

如果两个 URL 的协议、域名和端口都相同，我们就称这两个 URL 同源。举个🌰

1 2	https://time.geekbang.org/?category=1 https://time.geekbang.org/?category=0

这两个 URL，它们具有相同的协议 HTTPS、相同的域名 time.geekbang.org，以及相同的端口 443，所以我们就说这两个 URL 是同源的。

浏览器默认两个相同的源之间是可以相互访问资源和操作 DOM 的。两个不同的源之间若想要相互访问资源或者操作 DOM，那么会有一套基础的安全策略的制约，我们把这称为同源策略。具体来讲，同源策略主要表现在 DOM、Web 数据和网络这三个层面。

1、DOM层面

同源策略限制了来自不同源的 JavaScript 脚本对当前 DOM 对象读和写的操作，举个🌰

// parent
window.open('https://www.****.com');

// child
const pdom = window.opener.document;
pdom.body.style.color = "red";

在上述示例中我们在父页面中打开了子页面并在子页面中操作父页面中 DOM 节点的样式，如果此时子页面与父页面同源那么上述操作会成功，如果不是页面会抛出异常信息：

1	Blocked a frame with origin "https://www.****.ccom" from accessing a cross-origin frame.

2、数据层面

同源策略限制了不同源的站点读取当前站点的 Cookie、IndexDB、LocalStorage 等数据。由于同源策略，我们依然无法通过第二个页面的 opener 来访问第一个页面中的 Cookie、IndexDB 或者 LocalStorage 等内容。

3、网络层面

同源策略限制了通过 XMLHttpRequest 等方式将站点的数据发送给不同源的站点。

同源策略会隔离不同源的 DOM、页面数据和网络通信，进而实现 Web 页面的安全性。不过安全性和便利性是相互对立的，让不同的源之间绝对隔离，无疑是最安全的措施，但这也会使得 Web 项目难以开发和使用。因此我们要在这二者之间做权衡，找到中间的一个平衡点，也就是目前的页面安全策略原型。总结起来，它具备以下三个特点：

两个不同源之间无法读取数据并且 DOM 也是不能相互操纵的，因此，浏览器中实现了跨文档消息机制，让其可以比较安全地通信。
使用 XMLHttpRequest 和 Fetch 都是无法直接进行跨域请求的，因此浏览器又在这种严格策略的基础之上引入了跨域资源共享策略(CORS)，让其可以安全地进行跨域操作。
页面中可以引用第三方资源，不过这也暴露了很多诸如 XSS 的安全问题，因此又在这种开放的基础之上引入了内容安全策略(CSP)来限制其自由程度。

二、XSS攻击

XSS 全称是 Cross Site Scripting，即跨站脚本，XSS 攻击是指黑客往 HTML 文件中或者 DOM 中注入恶意脚本，从而在用户浏览页面时利用注入的恶意脚本对用户实施攻击的一种手段。最开始的时候，这种攻击是通过跨域来实现的，所以叫“跨域脚本”。但是发展到现在，往 HTML 文件中注入恶意代码的方式越来越多了，所以是否跨域注入脚本已经不是唯一的注入手段了，但是 XSS 这个名字却一直保留至今。当页面被注入了恶意 JavaScript 脚本时，浏览器无法区分这些脚本是被恶意注入的还是正常的页面内容，所以恶意注入 JavaScript 脚本也拥有所有的脚本权限。我们根据恶意脚本的注入方式将其主要分为存储型 XSS 攻击、反射型 XSS 攻击和基于 DOM 的 XSS 攻击三种：

1、存储型 XSS 攻击

通过上图，我们可以看出存储型 XSS 攻击大致需要经过如下步骤：

首先黑客利用站点漏洞将一段恶意 JavaScript 代码提交到网站的数据库中；
然后用户向网站请求包含了恶意 JavaScript 脚本的页面；
当用户浏览该页面的时候，恶意脚本就会将用户的 Cookie 信息等数据上传到服务器。

2、反射型 XSS 攻击

在一个反射型 XSS 攻击过程中，恶意 JavaScript 脚本属于用户发送给网站请求中的一部分，随后网站又把恶意 JavaScript 脚本返回给用户。当恶意 JavaScript 脚本在用户页面中被执行时，黑客就可以利用该脚本做一些恶意操作。Web 服务器不会存储反射型 XSS 攻击的恶意脚本，这是和存储型 XSS 攻击不同的地方。

3、基于 DOM 的 XSS 攻击

基于 DOM 的 XSS 攻击是不牵涉到页面 Web 服务器的。具体来讲，黑客通过各种手段将恶意脚本注入用户的页面中，比如通过网络劫持在页面传输过程中修改 HTML 页面的内容，这种劫持类型很多，有通过 WiFi 路由器劫持的，有通过本地恶意软件来劫持的，它们的共同点是在 Web 资源传输过程或者在用户使用页面的过程中修改 Web 页面的数据。

存储型 XSS 攻击和反射型 XSS 攻击都是需要经过 Web 服务器来处理的，因此可以认为这两种类型的漏洞是服务端的安全漏洞。而基于 DOM 的 XSS 攻击全部都是在浏览器端完成的，因此基于 DOM 的 XSS 攻击是属于前端的安全漏洞。

但无论是何种类型的 XSS 攻击，它们都有一个共同点，那就是首先往浏览器中注入恶意脚本，然后再通过恶意脚本将用户信息发送至黑客部署的恶意服务器上。所以要阻止 XSS 攻击，我们可以通过阻止恶意 JavaScript 脚本的注入和恶意消息的发送来实现，常用的阻止 XSS 攻击的策略有：

（1）服务器对输入脚本进行过滤或转码

不管是反射型还是存储型 XSS 攻击，我们都可以在服务器端将一些关键的字符进行转码，比如最典型的：

1	code:<script>alert('你被xss攻击了')</script>

这段代码过滤后，只留下了

code:

这样，当用户再次请求该页面时，由于 script 标签的内容都被过滤了，所以这段脚本在客户端是不可能被执行的。

除了过滤之外，服务器还可以对这些内容进行转码，还是上面那段代码，经过转码之后，效果如下所示：

1	code:<script>alert('你被xss攻击了')</script>

经过转码之后的内容，如<script>标签被转换为<script>，因此即使这段脚本返回给页面，页面也不会执行这段脚本。

（2）充分利用CSP

虽然在服务器端执行过滤或者转码可以阻止 XSS 攻击的发生，但完全依靠服务器端依然是不够的，我们还需要把 CSP 等策略充分地利用起来，以降低 XSS 攻击带来的风险和后果。实施严格的 CSP 可以有效地防范 XSS 攻击，具体来讲 CSP 有如下几个功能：

限制加载其他域下的资源文件，这样即使黑客插入了一个 JavaScript 文件，这个 JavaScript 文件也是无法被加载的；
禁止向第三方域提交数据，这样用户数据也不会外泄；
禁止执行内联脚本和未授权的脚本；
还提供了上报机制，这样可以帮助我们尽快发现有哪些 XSS 攻击，以便尽快修复问题。因此，利用好 CSP 能够有效降低 XSS 攻击的概率。

（3）使用 HttpOnly 属性

由于很多 XSS 攻击都是来盗用 Cookie 的，因此还可以通过使用 HttpOnly 属性来保护我们 Cookie 的安全。通常服务器可以将某些 Cookie 设置为 HttpOnly 标志，HttpOnly 是服务器通过 HTTP 响应头来设置的，下面是打开 Google 时，HTTP 响应头中的一段：

set-cookie: NID=189=M8q2FtWbsR8RlcldPVt7qkrqR38LmFY9jUxkKo3-4Bi6Qu_ocNOat7nkYZUTzolHjFnwBw0izgsATSI7TZyiiiaV94qGh-BzEYsNVa7TZmjAYTxYTOM9L_-0CN9ipL6cXi8l6-z41asXtm2uEwcOC5oh9djkffOMhWqQrlnCtOI; expires=Sat, 18-Apr-2020 06:52:22 GMT; path=/; domain=.google.com; HttpOnly

我们可以看到，set-cookie 属性值最后使用了 HttpOnly 来标记该 Cookie。顾名思义，使用 HttpOnly 标记的 Cookie 只能使用在 HTTP 请求过程中，所以无法通过 JavaScript 来读取这段 Cookie。我们还可以通过 Chrome 开发者工具来查看哪些 Cookie 被标记了 HttpOnly，如下图：

从图中可以看出，NID 这个 Cookie 的 HttpOlny 属性是被勾选上的，所以 NID 的内容是无法通过 document.cookie 是来读取的。由于 JavaScript 无法读取设置了 HttpOnly 的 Cookie 数据，所以即使页面被注入了恶意 JavaScript 脚本，也是无法获取到设置了 HttpOnly 的数据。因此一些比较重要的数据我们建议设置 HttpOnly 标志。

三、CSRF攻击

CSRF 英文全称是 Cross-site request forgery，所以又称为“跨站请求伪造”，是指黑客引诱用户打开黑客的网站，在黑客的网站中，利用用户的登录状态发起的跨站请求。简单来讲，CSRF 攻击就是黑客利用了用户的登录状态，并通过第三方的站点来做一些坏事。和 XSS 不同，CSRF 攻击不需要将恶意代码注入用户的页面，仅仅是利用服务器的漏洞和用户的登录状态来实施攻击

由于 CSRF 攻击核心是是利用用户的登录状态来攻击目标站点，因此发起 CSRF 攻击的三个必要条件：

目标站点一定要有 CSRF 漏洞；
用户要登录过目标站点，并且在浏览器上保持有该站点的登录状态；
需要用户打开一个第三方站点，可以是黑客的站点，也可以是一些论坛。

满足以上三个条件之后，黑客就可以对用户进行 CSRF 攻击了。这里还需要额外注意一点，与 XSS 攻击不同，CSRF 攻击不会往页面注入恶意脚本，因此黑客是无法通过 CSRF 攻击来获取用户页面数据的；其最关键的一点是要能找到服务器的漏洞，所以说对于 CSRF 攻击我们主要的防护手段是提升服务器的安全性。

要让服务器避免遭受到 CSRF 攻击，通常有以下几种途径。

（1）充分利用好 Cookie 的 SameSite 属性

由于黑客会利用用户的登录状态来发起 CSRF 攻击，而 Cookie 正是浏览器和服务器之间维护登录状态的一个关键数据，因此要阻止 CSRF 攻击，我们首先就要考虑在 Cookie 上来做文章。通常 CSRF 攻击都是从第三方站点发起的，要防止 CSRF 攻击，我们最好能实现从第三方站点发送请求时禁止 Cookie 的发送，因此在浏览器通过不同来源发送 HTTP 请求时，有如下区别：

如果是从第三方站点发起的请求，那么需要浏览器禁止发送某些关键 Cookie 数据到服务器；
如果是同一个站点发起的请求，那么就需要保证 Cookie 数据正常发送。

在 HTTP 响应头中，通过 set-cookie 字段设置 Cookie 时，可以带上 SameSite 选项，如下：

1	set-cookie: 1P_JAR=2019-10-20-06; expires=Tue, 19-Nov-2019 06:36:21 GMT; path=/; domain=.google.com; SameSite=none

SameSite 选项通常有 Strict、Lax 和 None 三个值。

Strict 最为严格。如果 SameSite 的值是 Strict，那么浏览器会完全禁止第三方 Cookie。简言之，如果你从极客时间的页面中访问 InfoQ 的资源，而 InfoQ 的某些 Cookie 设置了 SameSite = Strict 的话，那么这些 Cookie 是不会被发送到 InfoQ 的服务器上的。只有你从 InfoQ 的站点去请求 InfoQ 的资源时，才会带上这些 Cookie。
Lax 相对宽松一点。在跨站点的情况下，从第三方站点的链接打开和从第三方站点提交 Get 方式的表单这两种方式都会携带 Cookie。但如果在第三方站点中使用 Post 方法，或者通过 img、iframe 等标签加载的 URL，这些场景都不会携带 Cookie。
而如果使用 None 的话，在任何情况下都会发送 Cookie 数据。

（2）验证请求的来源站点

防止 CSRF 攻击的另一种策略就是在服务器端验证请求来源的站点。由于 CSRF 攻击大多来自于第三方站点，因此服务器可以禁止来自第三方站点的请求。那么该怎么判断请求是否来自第三方站点呢？这就需要介绍 HTTP 请求头中的 Referer 和 Origin 属性了。Referer 是 HTTP 请求头中的一个字段，记录了该 HTTP 请求的来源地址，虽然可以通过 Referer 告诉服务器 HTTP 请求的来源，但是有一些场景是不适合将来源 URL 暴露给服务器的，因此浏览器提供给开发者一个选项，可以不用上传 Referer 值，具体可参考 Referrer Policy。但在服务器端验证请求头中的 Referer 并不是太可靠，因此标准委员会又制定了 Origin 属性，在一些重要的场合，比如通过 XMLHttpRequest、Fecth 发起跨站请求或者通过 Post 方法发送请求时，都会带上 Origin 属性，

从上图可以看出，Origin 属性只包含了域名信息，并没有包含具体的 URL 路径，这是 Origin 和 Referer 的一个主要区别。在这里需要补充一点，Origin 的值之所以不包含详细路径信息，是有些站点因为安全考虑，不想把源站点的详细路径暴露给服务器。因此，服务器的策略是优先判断 Origin，如果请求头中没有包含 Origin 属性，再根据实际情况判断是否使用 Referer 值。

（3）CSRF Token

除了使用以上两种方式来防止 CSRF 攻击之外，还可以采用 CSRF Token 来验证，这个流程比较好理解，大致分为两步。第一步，在浏览器向服务器发起请求时，服务器生成一个 CSRF Token。CSRF Token 其实就是服务器生成的字符串，然后将该字符串植入到返回的页面中。你可以参考下面示例代码：

<!DOCTYPE html>
<html>
<body>
    <form action="https://time.geekbang.org/sendcoin" method="POST">
      <input type="hidden" name="csrf-token" value="nc98P987bcpncYhoadjoiydc9ajDlcn">
      <input type="text" name="user">
      <input type="text" name="number">
      <input type="submit">
    </form>
</body>
</html>

第二步，在浏览器端如果要发起转账的请求，那么需要带上页面中的 CSRF Token，然后服务器会验证该 Token 是否合法。如果是从第三方站点发出的请求，那么将无法获取到 CSRF Token 的值，所以即使发出了请求，服务器也会因为 CSRF Token 不正确而拒绝请求。

页面安全问题的主要原因就是浏览器为同源策略开的两个“后门”：一个是在页面中可以任意引用第三方资源，另外一个是通过 CORS 策略让 XMLHttpRequest 和 Fetch 去跨域请求资源。为了解决这些问题，我们引入了 CSP 来限制页面任意引入外部资源，引入了 HttpOnly 机制来禁止 XMLHttpRequest 或者 Fetch 发送一些关键 Cookie，引入了 SameSite 和 Origin 来防止 CSRF 攻击。这也是浏览器页面安全的主要内容。

浏览器系统安全

在最开始的阶段，浏览器是单进程的，这意味着渲染过程、JavaScript 执行过程、网络加载过程、UI 绘制过程和页面显示过程等都是在同一个进程中执行的，这种结构虽然简单，但是也带来了很多问题，浏览器本身的漏洞是单进程浏览器的一个主要问题，如果浏览器被曝出存在漏洞，那么在这些漏洞没有被及时修复的情况下，黑客就有可能通过恶意的页面向浏览器中注入恶意程序，其中最常见的攻击方式是利用缓冲区溢出，不过需要注意这种类型的攻击和 XSS 注入的脚本是不一样的。

XSS 攻击只是将恶意的 JavaScript 脚本注入到页面中，虽然能窃取一些 Cookie 相关的数据，但是 XSS 无法对操作系统进行攻击。
而通过浏览器漏洞进行的攻击是可以入侵到浏览器进程内部的，可以读取和修改浏览器进程内部的任意内容，还可以穿透浏览器，在用户的操作系统上悄悄地安装恶意软件、监听用户键盘输入信息以及读取用户硬盘上的文件内容。

和 XSS 攻击页面相比，这类攻击无疑是枚“核弹”，它会将整个操作系统的内容都暴露给黑客，这样我们操作系统上所有的资料都是不安全的了。

一、安全视角下的多进程架构

现代浏览器采用了多进程架构，将渲染进程和浏览器主进程做了分离，具体如下图所示：

观察上图，我们知道浏览器被划分为浏览器内核和渲染内核两个核心模块，其中浏览器内核是由网络进程、浏览器主进程和 GPU 进程组成的，渲染内核就是渲染进程。那如果我们在浏览器中打开一个页面，这两个模块是怎么配合的呢？所有的网络资源都是通过浏览器内核来下载的，下载后的资源会通过 IPC 将其提交给渲染进程（浏览器内核和渲染进程之间都是通过 IPC 来通信的）。然后渲染进程会对这些资源进行解析、绘制等操作，最终生成一幅图片。但是渲染进程并不负责将图片显示到界面上，而是将最终生成的图片提交给浏览器内核模块，由浏览器内核模块负责显示这张图片。

因为网络资源的内容存在着各种可能性，所以浏览器会默认所有的网络资源都是不可信的，都是不安全的。但谁也不能保证浏览器不存在漏洞，只要出现漏洞，黑客就可以通过网络内容对用户发起攻击。我们知道，如果你下载了一个恶意程序，但是没有执行它，那么恶意程序是不会生效的。同理，浏览器之于网络内容也是如此，浏览器可以安全地下载各种网络资源，但是如果要执行这些网络资源，比如解析 HTML、解析 CSS、执行 JavaScript、图片编解码等操作，就需要非常谨慎了，因为一不小心，黑客就会利用这些操作对含有漏洞的浏览器发起攻击。基于以上原因，我们需要在渲染进程和操作系统之间建一道墙，即便渲染进程由于存在漏洞被黑客攻击，但由于这道墙，黑客就获取不到渲染进程之外的任何操作权限。将渲染进程和操作系统隔离的这道墙就是安全沙箱了。

二、安全沙箱

浏览器中的安全沙箱是利用操作系统提供的安全技术，让渲染进程在执行过程中无法访问或者修改操作系统中的数据，在渲染进程需要访问系统资源的时候，需要通过浏览器内核来实现，然后将访问的结果通过 IPC 转发给渲染进程。安全沙箱最小的保护单位是进程。因为单进程浏览器需要频繁访问或者修改操作系统的数据，所以单进程浏览器是无法被安全沙箱保护的，而现代浏览器采用的多进程架构使得安全沙箱可以发挥作用。

由于安全沙箱最小的保护单位是进程，并且能限制进程对操作系统资源的访问和修改，这就意味着如果要让安全沙箱应用在某个进程上，那么这个进程必须没有读写操作系统的功能，比如读写本地文件、发起网络请求、调用 GPU 接口等。渲染进程和浏览器内核各自的职责如下图所示：

通过该图，我们可以看到由于渲染进程需要安全沙箱的保护，因此需要把在渲染进程内部涉及到和系统交互的功能都转移到浏览器内核中去实现。

那么安全沙箱对哥哥们模块的功能有何影响呢？

1、持久存储

由于安全沙箱需要负责确保渲染进程无法直接访问用户的文件系统，但是在渲染进程内部有访问 Cookie 的需求、有上传文件的需求，为了解决这些文件的访问需求，所以现代浏览器将读写文件的操作全部放在了浏览器内核中实现，然后通过 IPC 将操作结果转发给渲染进程。

具体地讲，如下文件内容的读写都是在浏览器内核中完成的：

存储 Cookie 数据的读写。通常浏览器内核会维护一个存放所有 Cookie 的 Cookie 数据库，然后当渲染进程通过 JavaScript 来读取 Cookie 时，渲染进程会通过 IPC 将读取 Cookie 的信息发送给浏览器内核，浏览器内核读取 Cookie 之后再将内容返回给渲染进程。
一些缓存文件的读写也是由浏览器内核实现的，比如网络文件缓存的读取。

2. 网络访问

同样有了安全沙箱的保护，在渲染进程内部也是不能直接访问网络的，如果要访问网络，则需要通过浏览器内核。不过浏览器内核在处理 URL 请求之前，会检查渲染进程是否有权限请求该 URL，比如检查 XMLHttpRequest 或者 Fetch 是否是跨站点请求，或者检测 HTTPS 的站点中是否包含了 HTTP 的请求。

3、用户交互

渲染进程实现了安全沙箱，还影响到了一个非常重要的用户交互功能。通常情况下，如果你要实现一个 UI 程序，操作系统会提供一个界面给你，该界面允许应用程序与用户交互，允许应用程序在该界面上进行绘制，比如 Windows 提供的是 HWND，Linux 提供的 X Window，我们就把 HWND 和 X Window 统称为窗口句柄。应用程序可以在窗口句柄上进行绘制和接收键盘鼠标消息。

不过在现代浏览器中，由于每个渲染进程都有安全沙箱的保护，所以在渲染进程内部是无法直接操作窗口句柄的，这也是为了限制渲染进程监控到用户的输入事件。由于渲染进程不能直接访问窗口句柄，所以渲染进程需要完成以下两点大的改变。

第一点，渲染进程需要渲染出位图。为了向用户显示渲染进程渲染出来的位图，渲染进程需要将生成好的位图发送到浏览器内核，然后浏览器内核将位图复制到屏幕上。
第二点，操作系统没有将用户输入事件直接传递给渲染进程，而是将这些事件传递给浏览器内核。然后浏览器内核再根据当前浏览器界面的状态来判断如何调度这些事件，如果当前焦点位于浏览器地址栏中，则输入事件会在浏览器内核内部处理；如果当前焦点在页面的区域内，则浏览器内核会将输入事件转发给渲染进程。

之所以这样设计，就是为了限制渲染进程有监控到用户输入事件的能力，所以所有的键盘鼠标事件都是由浏览器内核来接收的，然后浏览器内核再通过 IPC 将这些事件发送给渲染进程。

三、站点隔离

不过出于安全考虑浏览器对渲染进程还采取了进一步的安全手段，也就是———站点隔离。

所谓站点隔离是指 Chrome 将同一站点（包含了相同根域名和相同协议的地址）中相互关联的页面放到同一个渲染进程中执行。最开始 Chrome 划分渲染进程是以标签页为单位，也就是说整个标签页会被划分给某个渲染进程。但是，按照标签页划分渲染进程存在一些问题，原因就是一个标签页中可能包含了多个 iframe，而这些 iframe 又有可能来自于不同的站点，这就导致了多个不同站点中的内容通过 iframe 同时运行在同一个渲染进程中。目前所有操作系统都面临着两个 A 级漏洞——幽灵（Spectre）和熔毁（Meltdown），这两个漏洞是由处理器架构导致的，很难修补，黑客通过这两个漏洞可以直接入侵到进程的内部，如果入侵的进程没有安全沙箱的保护，那么黑客还可以发起对操作系统的攻击。所以如果一个银行站点包含了一个恶意 iframe，然后这个恶意的 iframe 利用这两个 A 级漏洞去入侵渲染进程，那么恶意程序就能读取银行站点渲染进程内的所有内容了，这对于用户来说就存在很大的风险了。因此 Chrome 几年前就开始重构代码，将标签级的渲染进程重构为 iframe 级的渲染进程，然后严格按照同一站点的策略来分配渲染进程，这就是 Chrome 中的站点隔离。实现了站点隔离，就可以将恶意的 iframe 隔离在恶意进程内部，使得它无法继续访问其他 iframe 进程的内容，因此也就无法攻击其他站点了。

浏览器网络安全

起初设计 HTTP 协议的目的很单纯，就是为了传输超文本文件，那时候也没有太强的加密传输的数据需求，所以 HTTP 一直保持着明文传输数据的特征。但这样的话，在传输过程中的每一个环节，数据都有可能被窃取或者篡改，这也意味着你和服务器之间还可能有个中间人，你们在通信过程中的一切内容都在中间人的掌握中，具体来讲，在将 HTTP 数据提交给 TCP 层之后，数据会经过用户电脑、WiFi 路由器、运营商和目标服务器，在这中间的每个环节中，数据都有可能被窃取或篡改。比如用户电脑被黑客安装了恶意软件，那么恶意软件就能抓取和篡改所发出的 HTTP 请求的内容。或者用户一不小心连接上了 WiFi 钓鱼路由器，那么数据也都能被黑客抓取或篡改，我们将这种攻击称为中间人攻击。

由于 HTTP 的明文传输使得传输过程毫无安全性可言，而这制约了网上购物、在线转账等一系列场景应用，这也催生了网络安全协议 HTTPS 的诞生。HTTPS 并非是一个新的协议，通常 HTTP 直接和 TCP 通信，HTTPS 则先和安全层通信，然后安全层再和 TCP 层通信。也就是说 HTTPS 所有的安全核心都在安全层，它不会影响到上面的 HTTP 协议，也不会影响到下面的 TCP/IP，因此要搞清楚 HTTPS 是如何工作的，就要弄清楚安全层是怎么工作的。

一、安全层

目前 HTTPS 安全层的加密方案的核心是：传输数据阶段依然使用对称加密，但是对称加密的密钥采用非对称加密来传输，具体过程如下图所示：

如图所示，具体流程是这样的：

首先浏览器向服务器发送对称加密套件列表、非对称加密套件列表和随机数 client-random；
服务器保存随机数 client-random，选择对称加密和非对称加密的套件，然后生成随机数 service-random，向浏览器发送选择的加密套件、service-random 和公钥；
浏览器保存公钥，并生成随机数 pre-master，然后利用公钥对 pre-master 加密，并向服务器发送加密后的数据；
最后服务器拿出自己的私钥，解密出 pre-master 数据，并返回确认消息。

到此为止，服务器和浏览器就有了共同的 client-random、service-random 和 pre-master，然后服务器和浏览器会使用这三组随机数生成对称密钥，因为服务器和浏览器使用同一套方法来生成密钥，所以最终生成的密钥也是相同的。有了对称加密的密钥之后，双方就可以使用对称加密的方式来传输数据了。

需要特别注意的一点，pre-master 是经过公钥加密之后传输的，所以黑客无法获取到 pre-master，这样黑客就无法生成密钥，也就保证了黑客无法破解传输过程中的数据了。

二、数字证书

通过对称和非对称混合方式，我们完美地实现了数据的加密传输。不过这种方式依然存在着问题，比如我要打开极客时间的官网，但是黑客通过 DNS 劫持将极客时间官网的 IP 地址替换成了黑客的 IP 地址，这样我访问的其实是黑客的服务器了，黑客就可以在自己的服务器上实现公钥和私钥，而对浏览器来说，它完全不知道现在访问的是个黑客的站点。

所以我们还需要服务器向浏览器提供证明“我就是我”，那怎么证明呢？这里我们结合实际生活中的一个例子，比如你要买房子，首先你需要给房管局提交你买房的材料，包括银行流水、银行证明、身份证等，然后房管局工作人员在验证无误后，会发给你一本盖了章的房产证，房产证上包含了你的名字、身份证号、房产地址、实际面积、公摊面积等信息。在这个例子中，你之所以能证明房子是你自己的，是因为引进了房管局这个权威机构，并通过这个权威机构给你颁发一个证书：房产证。

同理，极客时间要证明这个服务器就是极客时间的，也需要使用权威机构颁发的证书，这个权威机构称为 CA（Certificate Authority），颁发的证书就称为数字证书（Digital Certificate)。对于浏览器来说，数字证书有两个作用：一个是通过数字证书向浏览器证明服务器的身份，另一个是数字证书里面包含了服务器公钥。

因此含有数字证书的 HTTPS 的请求流程具体如下图：

这里主要有两点改变：

服务器没有直接返回公钥给浏览器，而是返回了数字证书，而公钥正是包含在数字证书中的；
在浏览器端多了一个证书验证的操作，验证了证书之后，才继续后续流程。通过引入数字证书，我们就实现了服务器的身份认证功能，这样即便黑客伪造了服务器，但是由于证书是没有办法伪造的，所以依然无法欺骗用户。

如何申请数字证书?

我们先来看看如何向 CA 申请证书。

比如极客时间需要向某个 CA 去申请数字证书，通常的申请流程分以下几步：

首先极客时间需要准备一套私钥和公钥，私钥留着自己使用；
然后极客时间向 CA 机构提交公钥、公司、站点等信息并等待认证，这个认证过程可能是收费的；
CA 通过线上、线下等多种渠道来验证极客时间所提供信息的真实性，如公司是否存在、企业是否合法、域名是否归属该企业等；
如信息审核通过，CA 会向极客时间签发认证的数字证书，包含了极客时间的公钥、组织信息、CA 的信息、有效时间、证书序列号等，这些信息都是明文的，同时包含一个 CA 生成的签名。

这样我们就完成了极客时间数字证书的申请过程。前面几步都很好理解，不过最后一步数字签名的过程还需要解释下：首先 CA 使用 Hash 函数来计算极客时间提交的明文信息，并得出信息摘要；然后 CA 再使用它的私钥对信息摘要进行加密，加密后的密文就是 CA 颁给极客时间的数字签名。这就相当于房管局在房产证上盖的章，这个章是可以去验证的，同样我们也可以通过数字签名来验证是否是该 CA 颁发的。

浏览器如何验证数字证书?

有了 CA 签名过的数字证书，当浏览器向极客时间服务器发出请求时，服务器会返回数字证书给浏览器。浏览器接收到数字证书之后，会对数字证书进行验证。

首先浏览器读取证书中相关的明文信息，采用 CA 签名时相同的 Hash 函数来计算并得到信息摘要 A；然后再利用对应 CA 的公钥解密签名数据，得到信息摘要 B；对比信息摘要 A 和信息摘要 B，如果一致，则可以确认证书是合法的，即证明了这个服务器是极客时间的；同时浏览器还会验证证书相关的域名信息、有效时间等信息。这时候相当于验证了 CA 是谁，但是这个 CA 可能比较小众，浏览器不知道该不该信任它，然后浏览器会继续查找给这个 CA 颁发证书的 CA，再以同样的方式验证它上级 CA 的可靠性。通常情况下，操作系统中会内置信任的顶级 CA 的证书信息（包含公钥），如果这个 CA 链中没有找到浏览器内置的顶级的 CA，证书也会被判定非法。另外，在申请和使用证书的过程中，还需要注意以下三点：

申请数字证书是不需要提供私钥的，要确保私钥永远只能由服务器掌握；
数字证书最核心的是 CA 使用它的私钥生成的数字签名；
内置 CA 对应的证书称为根证书，根证书是最权威的机构，它们自己为自己签名

参考资料

极客时间《重学前端》专栏

极客时间《浏览器工作原理与实践》专栏